高质量氮化物半导体薄膜及其制作方法.pdf

本发明涉及高质量氮化物半导体薄膜及其制作方法，根据本发明，在衬底上形成由电介质材料或金属材料制成的掩模材料膜图案，在制作氮化物半导体薄膜时在形成聚并之前去除该掩模材料膜图案，并且氮化物半导体薄膜再侧向制作。因此，本发明的优势在于能够制作具有空隙和较少缺陷的平面氮化物半导体薄膜。

1、  一种制作高质量氮化物半导体薄膜的方法，包括：
步骤1，在衬底上形成掩模材料膜，并蚀刻该掩模材料膜以形成暴露衬底上表面的某些部分的掩模材料膜图案；
步骤2，在通过掩模材料膜图案暴露的衬底部分上制作氮化物半导体薄膜，并在氮化物半导体薄膜发生聚并之前停止氮化物半导体薄膜的制作，以便通过所制作的氮化物半导体薄膜暴露掩模材料膜图案；和
步骤3，蚀刻并去除所暴露的掩模材料膜图案，并且继续侧向制作氮化物半导体薄膜以使得氮化物半导体薄膜发生聚并，从而形成具有平坦上表面和在掩模材料膜图案原先所在的区域形成的空隙的氮化物半导体薄膜产物。

2、  如权利要求1所述的方法，其中掩模材料膜图案由从包括SiO₂、Si₃N_X、TiN、W、Ni、Ti、Ta和WN_X的组中选择的一种材料制成的薄膜或这些材料的层压膜构成。

3、  如权利要求2所述的方法，其中掩模材料薄膜图案为包括所选择的多个相互分隔的矩形、三角形、六边形和圆形的图案，或者各具有至少一个以120度角弯曲的接合处的图案。

4、  如权利要求3所述的方法，其中具有分隔开的六边形的掩模材料膜图案在分隔开的六边形之间具有恒定的距离。

5、  如权利要求1所述的方法，其中衬底是由选自包括碳化硅(SiC)、蓝宝石、砷化镓(GaAs)、硅酮和氧化锌(ZnO)的组中选择的一种制成。

6、  如权利要求1所述的方法，其中空隙面积是氮化物半导体薄膜的面积的60％至90％。

7、  一种制作高质量氮化物半导体薄膜的方法，包括步骤：
在衬底上形成掩模材料膜图案；
在衬底和掩模材料膜图案除掩模材料膜图案中心部分以外的部分上制作氮化物半导体薄膜；
通过掩模材料膜图案中心部分蚀刻并去除掩模材料膜图案；
侧向制作氮化物半导体薄膜以形成具有平坦的上表面的氮化物半导体薄膜产物；以及
将衬底与氮化物半导体薄膜产物分离。

8、  如权利要求7所述的方法，其中采用湿蚀刻处理去除掩模材料膜图案。

9、  如权利要求7所述的方法，其中掩模材料薄膜图案由从包括SiO₂、Si₃N_X、TiN、W、Ni、Ti、Ta和WN_X的组中选择的一种材料制成的膜或这些材料的层压膜构成。

10、  如权利要求7所述的方法，其中掩模材料膜图案为包括选择的多个相互分隔的矩形、三角形、六边形和圆形的图案，或者各具有至少一个以120度角弯曲的接合处的图案。

11、  如权利要求7所述的方法，其中具有分隔开的六边形的掩模材料膜图案在分隔开的六边形之间具有恒定的距离。

12、  如权利要求7所述的方法，其中衬底是由从包括碳化硅(SiC)、蓝宝石、砷化镓(GaAs)、硅酮和氧化锌(ZnO)的组中选择的一种制成。

13、  一种高质量氮化物半导体薄膜，包括：
衬底；和
在衬底上形成的并在氮化物半导体薄膜和衬底之间的界面上具有空隙图案的氮化物半导体薄膜。

14、  如权利要求13所述的高质量氮化物半导体薄膜，其中空隙图案为包括所选择的多个相互分隔的矩形、三角形、六边形和圆形的图案，或者各具有至少一个以120度角弯曲的接合处的图案。

15、  如权利要求13或14所述的高质量氮化物半导体薄膜，其中衬底是由选自包括碳化硅(SiC)、蓝宝石、砷化镓(GaAs)、硅酮和氧化锌(ZnO)的组中选择的一种制成。

16、  如权利要求13或14所述的高质量氮化物半导体薄膜，其中空隙图案的面积是氮化物半导体薄膜面积的60％至90％。

高质量氮化物半导体薄膜及其制作方法
技术领域
本发明涉及高质量氮化物半导体薄膜及其制作方法。具体地说，本发明涉及高质量氮化物半导体薄膜及其制作方法，其中在衬底上形成由电介质材料或金属材料制成的掩模材料膜图案，在制作氮化物半导体薄膜时在形成聚并之前去除掩模材料膜图案，然后氮化物半导体薄膜再侧向制作，从而形成具有空隙和较少缺陷的平面氮化物半导体薄膜。
背景技术
通常，包括GaN(氮化镓)的AlGaInN基氮化物半导体材料是具有从紫外线到可见光范围的发光波长和较高的化学和热稳定性的材料。这样，这些材料有效地用于高温和高输出电子器件中。
近来，光学器件如发光二极管(LEDs)和激光二极管(LDs)大量开发为产品。蓝和绿LEDs已经投入市场。人们正在尝试开发具有较长波长和紫外线范围内的较短波长的LEDs。
另外，已进行各种尝试以利用基于氮化物的半导体材料制造发白光的白色LED。
就白色LEDs来说，使用蓝色LEDs和黄磷的产品已经投入市场。人们正在积极尝试通过结合具有400nm或更小的波长的紫外线LED和RGB磷光体来产生白光。
而且，具有波长为405nm的LD被选作在下一代光记录介质上写入信息的光源。改善LD的输出、稳定性等的研究正在进行中。
但是，关键的问题是没有适合应用氮化物半导体材料的衬底材料，对此也在进行研究。
由于具有大面积的GaN单晶体衬底还未供应市场，因此采用蓝宝石、硅酮、碳化硅(SiC)等异质的衬底。如果是制作单晶体外延薄膜，异质衬底具有由于晶格常数和热膨胀系数的极大差异导致在薄膜中形成许多缺陷如穿孔错位(threading dislocation)的问题。据报道如穿孔错位的缺陷数量上高达大约10⁹至10¹⁰/cm²，这些缺陷作为不发光的区域、漏电的路径等。因而，这些缺陷将导致采用氮化物半导体材料的器件的光或电特性退化。
因此，已进行各种研究以得到具有低缺陷密度的高质量GaN外延薄膜。
图1a和图1b所示为按照现有技术通过采用掩模地侧面制作方法制作氮化物半导体薄膜的过程。侧面制作方法已被广泛采用。在衬底10上形成第一GaN薄膜11，SiO₂等电介质材料膜12在第一GaN薄膜11上形成图案(图1a)。
之后，利用已形成图案的电介质材料膜12侧面制作第二GaN薄膜13(图1b)。
此时，已形成图案的电介质材料膜12用作阻止穿孔错位的掩模，以防止在掩模下扩散的错位向侧面制作的薄膜蔓延，以使得仅无掩模的区域内的穿孔错位14向制作的薄膜的表面扩散或者穿孔错位14折向薄膜的侧面制作的部分，从而降低到达薄膜表面的缺陷的密度。
图2a和图2b所示为按照现有技术通过不采用掩模的侧面制作方法制作氮化物半导体薄膜的过程。在衬底20上制作第一GaN薄膜21，第一GaN薄膜21和衬底20的有些部分被蚀刻以形成多个凹槽22(图2a)。
之后，通过侧面制作方法利用多个凹槽22形成第二GaN薄膜23(图2b)。
如图2b所示，由于错位17没有向在该多个蚀刻的凹槽22上制作的第二GaN薄膜23的部分蔓延，因此可降低薄膜的缺陷密度。
但是，由于制作GaN薄膜、形成电介质材料膜并形成图案，然后再形成另一个GaN薄膜，或者制作GaN薄膜、蚀刻和再侧面制作，前面所述的传统的侧面制作方法具有过程复杂的缺点。
另外，若采用电介质材料膜，存在的问题是由于在侧面制作的GaN薄膜和电介质材料膜之间产生的应力，制作的GaN薄膜变得倾斜。
发明内容
本发明被设计以解决前述问题。因此，本发明的目的是提供高质量氮化物半导体薄膜及其制作方法，其中在衬底上形成由电介质材料或金属材料制成的掩模材料膜图案，在制作氮化物半导体薄膜时在聚并发生之前去除掩模材料膜图案，并且氮化物半导体薄膜再侧向制作，从而形成具有空隙和较少缺陷的平面氮化物半导体薄膜。
根据实现该目的的本发明的第一方面，提供一种制作高质量氮化物半导体薄膜的方法，包括：步骤1，在衬底上形成掩模材料膜，并蚀刻该掩模材料膜以形成暴露衬底上表面的某些部分的掩模材料膜图案；步骤2，在通过掩模材料膜图案暴露的衬底部分上制作氮化物半导体薄膜，并在氮化物半导体薄膜聚并之前停止氮化物半导体薄膜的制作，以便通过制作的氮化物半导体薄膜暴露掩模材料膜图案；步骤3，蚀刻并去除所暴露的掩模材料膜图案并且继续侧向制作氮化物半导体薄膜以使得氮化物半导体薄膜发生聚并，从而形成具有平坦上表面和在掩模材料膜图案原先所在的区域形成的空隙的氮化物半导体薄膜产物。
根据实现该目的的本发明的第二方面，提供一种制作高质量氮化物半导体薄膜的方法，包括步骤：在衬底上形成掩模材料膜图案；在衬底和掩模材料膜图案除掩模材料膜图案中心部分以外的部分上制作氮化物半导体薄膜；通过掩模材料膜图案中心部分蚀刻并去除掩模材料膜图案；侧向制作氮化物半导体薄膜以形成具有平坦上表面的氮化物半导体薄膜产物；并使衬底与氮化物半导体薄膜分离。
根据实现该目的的本发明的第三方面，提供一种高质量氮化物半导体薄膜，包括衬底；和在衬底上形成并在氮化物半导体薄膜和衬底之间的界面上具有空隙图案的氮化物半导体薄膜。
附图说明
从下面结合附图对优选实施例的详细描述，本发明的上述目的、特性和优点将更为清楚，附图中：
图1a和图1b所示为按照现有技术通过采用掩模的侧面制作方法制作氮化物半导体薄膜的过程；
图2a和图2b所示为按照现有技术通过不采用掩模的侧面制作方法制作氮化物半导体薄膜的过程；
图3a至图3d所示为根据本发明的制作氮化物半导体薄膜的过程的示意图；
图4a至图4f所示为根据本发明的掩模材料膜图案的平面图；
图5所示为根据本发明的蜂巢形的掩模材料膜图案的平面图
具体实施方式
下文中，将参照附图对本发明的优选实施例进行详细描述。
图3a至图3d所示为根据本发明的制作氮化物半导体薄膜的过程的示意图。在衬底100上形成掩模材料膜110(图3a)，并蚀刻该掩模材料膜110以形成暴露衬底110的部分上表面的掩模材料膜图案110-1(图3b)。
此时，优选的衬底100由选自包括碳化硅(SiC)、蓝宝石、砷化镓(GaAs)、硅酮和ZnO的组的一种材料制成。
另外，优选掩模材料膜图案110-1由选自包括SiO₂、Si₃NX、TiN、W、Ni、Ti、Ta和WNX的组中的一种制成的薄膜构成。
而且，掩模材料膜图案110-1由选择的多个相互分隔的矩形(图4a和4b中的110-1a)、三角形(图4c中的110-1b)、六边形(图4d中的110-1c)和圆形(图4e中的110-1d)组成。
掩模材料膜图案也可以是各具有至少一以120度角弯曲的接合处的图案(图4f中的110-1e)。
此时，当掩模材料膜图案的各具有至少一弯曲成120度角的接合处时，由于具有六角系，氮化物半导体薄膜中的GaN可在弯曲成120度角的弯曲掩模材料膜上平滑地制作。
当掩模材料膜图案由分隔开的六边形110-1c组成时，通过在分隔开的六边形110-1c之间保持恒定的距离d1可形成蜂巢形的掩模材料膜图案，如图5所示。
另外，如图3b所示，每个掩模材料膜图案110-1的宽度W1与衬底的每个暴露区域的宽度W2可彼此相等。
在掩模材料膜图案110-1暴露的衬底100的区域上制作氮化物半导体薄膜120，并在氮化物半导体薄膜在掩模材料膜图案110-1上发生聚并之前停止氮化物半导体薄膜120的制作，以通过所制作的氮化物半导体薄膜暴露掩模材料膜图案110-1(图3c)。
其后，蚀刻并去除暴露的掩模材料膜图案110-1并且继续侧向制作氮化物半导体薄膜120直到氮化物半导体薄膜发生聚并，以使氮化物半导体薄膜产物120具有平坦上表面和在掩模材料膜图案110-1原先所在的区域中形成的空隙130(图3d)。
此时，在衬底100和氮化物半导体薄膜120之间的界面上形成的空隙图案具有与掩模材料膜图案相同的形状。
因此，根据本发明的高质量的氮化物半导体薄膜包括衬底100，和在衬底100上形成并具有在氮化物半导体薄膜120和衬底100之间的界面上形成的空隙图案130的氮化物半导体薄膜120，如图3d所示。
这种情况下，若掩模材料膜图案110-1用二氧化硅(SiO₂)膜制成，可通过将其浸入HF和BOE溶液中去除掩模材料膜图案110-1。
同时，若掩模材料膜图案110-1用Ni制成，可通过将其浸入王水(一种盐酸和硝酸的混合物)中去除掩模材料膜图案110-1。
也就是，根据本发明，采用湿蚀刻处理方法去除掩模材料膜图案。
因此，完整制作的氮化物半导体薄膜产物120具有平坦的上表面和空隙图案130。
因此，在掩模材料膜图案上侧面制作的氮化物半导体薄膜的部分与在衬底上制作的氮化物半导体薄膜的部分相比具有较少的缺陷。其结果是所制作的氮化物半导体薄膜具有较少的缺陷。
如上所述，根据本发明，在衬底上形成由电介质材料或金属材料制成的掩模材料膜图案，在制作氮化物半导体薄膜时在发生聚并之前去除掩模材料膜图案，并且氮化物半导体薄膜再侧面制作，从而形成具有空隙和较少缺陷的平面氮化物半导体薄膜。
另外，根据本发明，由于去除掩模材料膜图案，掩模材料膜图案和氮化物半导体薄膜之间的界面上产生的应力被消除，从而可形成具有良好结晶性的氮化物薄膜。
传统的侧面制作方法采用多步骤工艺，其中在衬底上制作氮化物半导体薄膜，并在其上形成掩模材料或蚀刻氮化物半导体薄膜，而本发明采用简单的工艺，其中直接在异质的衬底上形成掩模材料。
另外，根据本发明，形成具有空隙的氮化物半导体薄膜。因此，由于采用该氮化物半导体薄膜的发光器件在空隙区域不产生全反射，因此可得到更高的发光效率。
同时，若在图3d的步骤之后将衬底与氮化物半导体薄膜分离，则只保留氮化物半导体薄膜。此时，由于在衬底和氮化物半导体薄膜之间的界面上形成的空隙，衬底可以容易地与氮化物半导体薄膜分离。
在这种情况下，若空隙之间的距离，即氮化物半导体薄膜附着在衬底上的区域的宽度较小，可以更容易地将衬底与氮化物半导体薄膜分离。
若根据氮化物半导体薄膜的面积换算空隙面积，优选空隙面积是氮化物半导体薄膜的面积的60％至90％。
根据上述的本发明，在衬底上形成由电介质材料或金属材料制成的掩模材料膜图案，在制作氮化物半导体薄膜时在发生聚并之前去除掩模材料膜图案，并且氮化物半导体薄膜再侧面制作。因此本发明的优势在于可形成具有空隙和较少缺陷的平面氮化物半导体薄膜。
虽然是结合优选实施例说明和描述本发明，但本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明的实质和范围的前提下可对本发明进行各种修改和变更。显然对本发明所做的这种修改和变更落入所附的权利要求确定的范围内。